Dies ist der erste Artikel einer 5-teiligen Serie über die Datenspeicherung im Automobilbereich. In diesem Beitrag werfen wir einen Blick auf die sich entwickelnde Automobilarchitektur und wie sich diese Entwicklung auf die heutigen Datenspeicherlösungen auswirkt.
Wir alle wissen, dass die Automobilelektronik vor bisher beispiellosen Veränderungen steht – angefangen von der Entwicklung neuer Energie- und autonomer Fahrtechnologien, über Upgrades von Unterhaltungssystemen im Innenraum, Streaming-Unterhaltung, sowie Konnektivität, softwaredefinierten Autos, Flottenmanagement bis hin zu Änderungen bei sämtlichen Terminalanforderungen.
Diese Änderungen haben erhebliche Auswirkungen auf die zugrunde liegende elektronische und elektrische Architektur von Automobilen. Solche Herausforderungen waren auch der Ansporn zu beispiellosem Maß an Zusammenarbeit in der Automobilindustrie sowie der Halbleiterindustrie.
Enorme Mengen an Datenfluss innerhalb und zwischen modernen Fahrzeugen
Im Laufe der Jahre haben autonome Fahrsysteme zunehmend an Kamera-, Ultraschall-, LiDAR- und Radarsensoren eingebaut. Mit Hilfe von diesen Sensoren wird die Umgebung des Autos erfasst, wobei große Mengen an Daten enstehen. Diese Rohdaten müssen “vor Ort” schnellstmöglichst verarbeitet werden, um präzise Fahrentscheidungen für Fahrzeuge zu gewährleisten. Heutige Autos ermöglichen auch eine Echtzeitinteraktion zwischen Infotainmentsystemen und diesen Sensoren, wie z. B. Rückfahrbildanzeige, E-Spiegeln, Rundumsicht und Fahrerüberwachungssystemen. Weiters entlasten autonome Fahrassistenzsysteme (ADAS) Fahrer und Beifahrer, indem Zeit erspart und weniger Aufmerksamkeit erfordert wird.
All diese erweiterten Funktionen führen zur verstärkten Fokussirung auf das Cockpit-Erlebnis. So bietet Tesla seinen Passagieren beispielsweise die Möglichkeit, AAA-Spiele auf seinem zentralen Entertainment-System zu spielen. Diese Entwicklungen führen auch zu einer signifikanten Zunahme an Datenübertragungsvolumen innerhalb des Fahrzeugs, an Anzahl elektronischer Steuergeräte (ECUs), an Rechenleistung und (natürlich) an Speicherbedarf.
Die steigenden Kosten für die Integration zahlreicher Komponenten und der umfangreiche Verifizierungsaufwand für wachsende Anzahl an Steuergeräte (ECUs) haben Automobilhersteller und Tier-1-Zulieferer dazu gezwungen, darüber nachzudenken, wie sie die elektrisch-elektronische (E/E-) Architektur für moderne Fahrzeuge neu gestalten können. (Abbildung 1)
Abbildung 1: Moderne Autos erzeugen riesige Datenmengen und führen zu einer Veränderung ihrer Architektur
Zukünftiger Speicherbedarf in der Automobilelektronik Architektur
Während automotive Halbleiter eine der wichtigsten Triebkräfte für das Wachstum des zukünftigen Halbleitermarktes sind, fragen sich viele Menschen oft: „Wie steht es um NAND-Flash-Speicher?“ Branchenexperten schätzen, dass der Markt für automotive NAND-Flash bis 2028 auf 5 Milliarden US-Dollar anwachsen wird, im Vergleich zu 2 Milliarden US-Dollar im Jahr 2023. Viele sind jedoch skeptisch, da sie sich fragen, welche enormen Chancen ein derart explosives Wachstum bewirken könnten. Die Antwort ist tatsächlich im ersten Absatz unseres Artikels angedeutet, nämlich die vielfältigen Anwendungmöglichkeiten intelligenter Fahrzeuge. Um jedoch eine professionellere und detailliertere Antwort auf diese Frage zu geben, analysieren wir die elektrisch-elektronische (E/E-) Architektur von Automobilen weiter.
Werfen wir einen genaueren Blick auf die Details.
Die E/E-Architektur der Automobilindustrie ist äußerst komplex und kann vom Entwurf über die Verifizierung bis zur Massenproduktion drei bis fünf Jahre dauern. Es kann von Unternehmen zu Unternehmen unterschiedlich sein, aber in den letzten 5 Jahren haben sich immer mehr Designs in Richtung einer domänenzentrierten Architektur verlagert. (Abbildung 2)
Abbildung 2: Speicherbedarf in einer domänenzentrierten Automobilarchitektur.
In der domänenzentrierte Architektur werden zahlreiche Steuergeräte (ECUs) zu einen einzigen Domänencontroller integriert. Jeder Domänencontroller ist für bestimmte Funktionen im Fahrzeug verantwortlich, wie zum Beispiel autonomes Fahren, Cockpit-Entertainment oder Leistungs- und Fahrwerkssteuerung. Dies ermöglicht die Reduzierung von Verkabelungen, Vereinfachung der Verifizierungskomplexität sowie des Lieferkettenmanagements, als auch Ersparnis an Kosten und schafft Platz und Gewicht.
Die größte Auswirkung auf NAND-Speicher im Fahrzeug ist die gestiegene Nachfrage nach höherer Kapazität, besserer Zuverlässigkeit, sowie schnellerer und einfacherer Integration als herkömmliche Datenspeicher.
Wie wir wissen, haben sich NAND-Flash Speicher von SLC- und MLC-Speicherlösungen mit geringer Kapazität zu 3D-TLC entwickelt. Die Verwaltung von NAND-Flash durch den Controller ist zunehmend komplex geworden. Insbesondere die Fähigkeit zur Fehlerkorrektur muss weiter verbessert werden, um die Zuverlässigkeit von Speichergeräten zu gewährleisten. Hierbei sind der Algorithmendesign des Controllers und die Erfahrung im Verifikationsprocess besonders von Bedeutung. In zukünftigen Artikeln werden wir dies ausführlicher behandeln. Jetzt wollen wir uns weiter mit den Anforderungen und Anwendungen von Speichergeräten für Kraftfahrzeugsysteme befassen.
Für diejenigen, die skeptisch in Bezug auf Zukunftschancen von automotive NAND-Speichern sind, sollten folgende Fakten bedenken: aktuell benötigt ein einzelnes Fahrzeug drei bis fünf Speichergeräte. Angenommen, es werden jedes Jahr 80 Millionen Autos verkauft, könnte das Volumen der verkauften NAND-Speichergeräte für Kraftfahrzeuge letztendlich die jährlichen Lieferungen von SSDs in Laptops übersteigen. Obwohl immer noch ein erheblicher Unterschied an Kapazitätsbedarf zwischen den beiden besteht, werden der Übergang in der Architektur sowie das Wachstum an intelligenter Anwendungen ebenfalls über mehrere Jahre hinweg stattfinden. Somit besteht zweifellos eine enorme Chance für NAND-Flash-Speicher in der Zukunft.
Eingehende Analyse von Anwendungen für Automobilspeicher
Die NAND-Flash-Speichergeräte in Fahrzeugen werden für verschiedene Systeme verwendet. Wir können sie basierend auf ihren Anwendungen in vier Hauptkategorien einteilen.
Telematiksteuereinheit (TCU, T-Box) (TCU, T-Box）
Telematik ist die Integration zweier Wissenschaftsbereiche: Telekommunikation und Informatik. Das Telematiksystem eines Fahrzeugs ist der zentrale Knotenpunkt für nahezu alles, was drahtlos mit dem Auto verbunden ist. Es ermöglicht Over-the-Air-Updates (OTA), schnelle Fernreaktionen auf Vorfälle mit Technologien wie eCALL, Flottenmanagement und Ferndiagnose.
Wenn Telematiksysteme in 5G integriert werden, können Fahrzeuge mit Roadside Units (RSUs) sowie anderen Fahrzeugen, Fußgängern und Fahrern kommunizieren. Diese Kommunikationsfähigkeit wird als V2X bezeichnet, was für Vehicle-to-Everything steht. Wir glauben, dass dies die Grundlage für das zukünftige vernetzte Auto sein wird. Darüber hinaus wird durch bessere Kontrolle über die Umgebung und andere vernetzte Objekte die Zuverlässigkeit und Funktionalität von ADAS weiter erhöht und verstärkt.
Weltweit werden mehr als 50 Millionen TCU-Lieferungen pro Jahr ausgeliefert. Was den Speicherbedarf dieser Systeme betrifft, so benötigen sie in der Regel eine vergleichsweise geringe Speicherkapazität, sodass hier eMMC mit weniger als 16 GB typisch sind.
Cockpit Domänencontroller (CDC) (CDC）
Vielen Menschen haben Schwierigkeiten, zwischen den Begriffen Cockpit Domänen-Cotroller (CDC) und traditionellem In-Vehicle-Infotainment (IVI) zu unterscheiden. Tatsächlich ist CDC ein Subsystem der domänenzentrierten Architektur. Per Definition muss sein Hardwaresystem alle Informations- und Unterhaltungsfunktionen im Cockpit integrieren, einschließlich Kombi-Instrument, Heads-up-Display (HUD), Spracherkennung, Fond-Entertainment und des zentralen Infotainmentsystems. Gleichzeitig muss es auch mit mehreren virtuellen Maschinen und Betriebssystemen kompatibel sein.
Derzeit verfügen weniger als 15 % der Fahrzeuge in Produktion über CDC-Systeme. Wenn CDC und herkömmliche IVI-Systeme jedoch im Infotainment-Bereich kombiniert werden, stellen sie tatsächlich die größte Anwendung im gesamten automobile Speichermarkt dar und machen mehr als 80 % des automotiven NAND-Bit Bedarfs aus. CDC-Systeme können eMMC-, UFS- oder PCIe-SSDs mit Kapazitäten von 16 bis 256GB verwenden, abhängig von der Ausstattung des Fahrzeugs und der Vielfalt der implementierten Anwendungen.
Domänencontroller des fortschrittlichen Fahrerassistenzsystems (ADC)
Die in fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen (ADAC) eingesetzten Technologien umfassen Sicherheit, Vorschriften, Fahrerakzeptanz und andere Aspekte. Dadurch ist die Entwicklung eher stetig als explosiv. Dennoch handelt es sich gegenwärtig um die meistdiskutierte Technologie und einen unaufhaltsamen Megatrend in der Automobilindustrie.
Derzeit ist eMMC immer noch der Hauptspeicherbedarf für diese Domänencontroller. Angesichts steigender Datenübertragungsraten basieren jedoch viele Designs auch auf UFS-Speicherlösungen. Mit Blick auf die Zukunft dürften ADC-Systeme aufgrund der technologischen Entwicklung in den kommenden Jahren der am stärksten wachsende Bereich für die Nachfrage nach NAND-Speicher in der Automobilindustrie sein.
Zentrales Gateway
Das zentrale Gateway dient als Datenaustauschzentrum für das Fahrzeugnetzwerk. Es konvertiert verschiedene Kommunikationsprotokolle innerhalb des Fahrzeugs (wie LIN, CAN, FlexRay, Ethernet usw.) und leitet Daten zwischen verschiedenen Funktionsdomänen weiter. Es sorgt für physische Isolierung und erfüllt außerdem die Netzwerksicherheitsfunktionen des Fahrzeugs.
Zu den Anwendungen gehören Event Data Recorder (EDR), On-Board-Diagnose Systeme, Flottenmanagement, Cyber Security Management und OTA-Update Management. Manchmal umfasst es sogar die Funktionen des Body-Domain-Controllers. Im Allgemeinen ist hier eMMC die gängige Speicherlösung, für das Flottenmanagement in Nutzfahrzeugen werden jedoch häufig PCIe-SSDs mit hoher Kapazität eingesetzt.
Phison – führender Anbieter von automotiven Speicherlösungen
Mit der zunehmenden Abhängigkeit der Automobiltechnologie von Daten haben Tier-1-Zulieferer und OEMs eine domänenzentrierte Architektur implementiert. Die von dieser Architektur unterstützten Anwendungen erfordern größere, schnellere und zuverlässigere Datenspeicherlösungen. In naher Zukunft wird ein unglaubliches Wachstum in diesem Bereich erwartet.
Aus diesem Grund investiert Phison Electronics weiterhin erheblich in die Forschung und Entwicklung von Speicherlösungen für die Automobilindustrie. Als weltweit größter Anbieter von automotive eMMC Controller ICs hat Phison nicht nur die ISO 26262-Zertifizierung für den Entwicklungsprozess für funktionale Sicherheit im Automobilbereich erhalten, sondern wurde auch der weltweit erste unabhängige Anbieter von NAND-Flash Controller, der die Automotive SPICE (ASPICE) CL3-Zertifizierung erhielt. Das Unternehmen arbeitet mit führenden NAND-Flash Herstellern und Partnern aus der Automobilindustrie zusammen, um seine Führungsposition auf dem automotiven Speichermarkt zu sichern. Zertifizierung des Entwicklungsprozesses für funktionale Sicherheit, ISO 26262, sondern auch wurde der weltweit erste unabhängige NAND-Flash-Controller-Anbieter, der die Automotive SPICE (ASPICE) CL3-Zertifizierung erhalten hatDas Unternehmen ist an technischen und geschäftlichen Kooperationen mit führenden NAND-Flash-Herstellern und Partnern aus der Automobilindustrie beteiligt, um seine Führungsposition auf dem Automobilspeichermarkt zu sichern.
Nachdem wir nun untersucht haben, wie die Entwicklung der Automobiltechnologie die Nachfrage nach Speicherlösungen vorantreibt, wird unser nächster Artikel einen Blick auf die Entwicklung der automotiven Speichertechnologien sowie den Übergang von eMMC zu UFS und sogar zu zukünftigen PCIe BGA SSDs. Verpassen Sie nicht unseren zweiten Artikel in der Reihe über automotive Speicherlösungen.
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